新型横向功率器件的研究及高K介质在耐压层中的应用

发布时间：2020-08-21 06:37

【摘要】：电力电子技术是当今最先进的电能转换技术,它能灵活高效地将电能从一种形式转换为另一种形式,是实现人类社会可持续发展的关键科学技术之一。功率半导体器件是电力电子技术中最为基础却又极其重要的核心部件。随着电力电子技术的不断发展,智能功率集成电路的概念被引入进来,也就是将高压的功率器件与低压的控制电路集成到同一芯片上,以降低成本、提升可靠性。在智能功率集成电路中,为了易于集成一般采用横向结构的功率器件,相比于分立器件中常采用的纵向结构,在具有相同耐压的条件下,横向器件的电流能力较弱,导通压降较大。为此,人们一直在致力于研究如何进一步提高横向功率器件的电流能力,而且不牺牲如耐压、动态功耗、可靠性等其他的性能。优化横向变掺杂(OPTVLD)技术是能有效优化横向功率器件的技术之一。该技术是陈星弼教授在对各种表面耐压技术进行理论分析及归纳后,计算得出了在尽可能短的横向距离内实现尽可能高耐压的最佳表面电通量分布,以及提出了依靠横向变掺杂来实现这种最佳分布的方法。然而,因为所提出的方法是依靠掺杂工艺实现的,且对杂质剂量的精确度有一定要求,所以对工艺线的要求比较高。为此陈星弼教授又提出了利用高介电系数(高K)材料来实现优化横向变电通量的方法,即通过向漂移区表面引入高K介质来改变电力线的流向以实现最优电场分布。作者在陈星弼教授的指导下,主要围绕高K介质在横向功率器件耐压层中的应用开展了相关研究。本文展示了主要的研究内容,其创新性部分体现在第三至第五章,分别有:1.为进一步降低LDMOS的比导通电阻,提出了一种利用n型多晶硅二极管来在漂移区表面自动感应出电子积累层的高K LDMOS结构。当器件导通时,反偏的多晶硅二极管与漂移区表面存在电位差。在该电位差的作用下,漂移区表面会感应出和多晶硅耗尽区内施主电荷等量的电子,从而使得器件的比导通电阻下降。由于多晶硅二极管的反偏是通过器件的漏源电压来完成的,因此积累层的产生无须依赖复杂的驱动电路。同时,高K介质的存在优化了漂移区的电场,器件的比导通电阻得到了进一步降低,可靠性也得到提高。仿真结果也表明,新结构的性能相比传统LDMOS有了明显的改进。2.基于上述对积累层高K LDMOS的研究,提出了一种用作高压开关电路中高侧器件的新型双通道导电的高K SOI p-LDMOS。高侧SOI p-LDMOS的背栅相对器件源极一直处于负偏置状态,这个负的偏置电压可以在n型顶层硅底部感应出空穴反型层。本文利用这一空穴反型层,以及在器件源极侧新加入的P-well区、栅电极和p~+源区一起构建了SOI p-LDMOS的第二条空穴电流路径,有效提升了器件的导电能力。同时,采用高K介质代替传统Field p-LDMOS中的氧化层,在更高的漂移区掺杂浓度下仍能保证器件的耐压。并且,还借助工艺仿真软件和器件仿真软件一起设计了器件的工艺流程并验证了器件性能。3.研究了现有改善LIGBT导通压降和关断损耗矛盾关系的手段,提出了一种具有载流子存储层的快关断SOI LIGBT。本文采用从漂移区获得辅助栅控制电位的方法,当器件耐压时,可以从漂移区获得一个相对阳极较低的电压作为辅助栅电压,从而使得辅助栅控制的PMOS开启以短路阳极,器件的关断相当于一个普通LDMOS的关断;器件导通时,PMOS被关断,器件与正常LIGBT无异。仿真结果显示,相比传统SOI LIGBT,新结构的关断时间得到了极大的缩短,而导通压降却并未增加。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN303

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本文编号：2799052